DE102011050928B4

DE102011050928B4 - Abgasreinigungsanlage und abgasreinigungsverfahren

Info

Publication number: DE102011050928B4
Application number: DE102011050928.3A
Authority: DE
Inventors: Jochen Michael Lippert
Original assignee: De Lobo Ltd; LOBO Ltd DE
Current assignee: De Lobo Ltd; LOBO Ltd DE
Priority date: 2011-06-08
Filing date: 2011-06-08
Publication date: 2016-04-14
Anticipated expiration: 2031-06-09
Also published as: DE102011050928A1

Abstract

Abgasreinigungsanlage (100), eingerichtet für den Betrieb in einem Blockheizkraftwerk und umfassend zumindest eine erste Abgasleitung (120) und zumindest eine zweite Abgasleitung (130), die an einer ersten Zusammenführung (140) vereinigt sind, ein Harnstoffeinspritzmittel (200), das im Bereich der Zusammenführung (140) angeordnet ist, weiterhin umfassend eine bezüglich der Fließrichtung des Abgases hinter dem Harnstoffeinspritzmittel (200) angeordnete erste Verzweigung (150), die den Abgasstrom in mindestens einen ersten Katalysatorzweig (160) und einen zweiten Katalysatorzweig (170) aufteilt, wobei in dem ersten Katalysatorzweig (160) ein erster Katalysator (310) zur Verminderung von Stickoxiden und in dem zweiten Katalysatorzweig (170) ein zweiter Katalysator (320) zur Verminderung von Stickoxiden angeordnet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abgasreinigungsanlage sowie ein Abgasreinigungsverfahren, insbesondere eine Abgasreinigungsanlage und ein Abgasreinigungsverfahren für Dieselmotoren.
Die bei Verbrennungsreaktionen entstehenden Abgase enthalten typischerweise umwelt- und/oder gesundheitsschädliche Bestandteile. Beispielsweise werden beim Betrieb von Verbrennungsmotoren schädliche Stickoxide, insbesondere NO und NO2, erzeugt. Beim Betrieb von Dieselmotoren ist weiterhin der Teilchen- bzw. Staubgehalt im Abgas möglichst gering zu halten, dies insbesondere im Hinblick auf die Richtlinie 1999/30/EG, die Grenzwerte für Feinstaub festlegt.
Bislang wurden verschiedene Abgasreinigungsverfahren entwickelt, unter anderem die selektive katalytische Reduktion (SCR, Selective Catalytic Reduktion). Dabei werden Stickoxide in Abgasen beispielsweise von Müllverbrennungsanlagen, Gasturbinen, und Motoren vermindert. Die chemische Reaktion am Katalysator ist selektiv, so daß primär Stickoxide (NO, NO2) reduziert werden während unerwünschte Nebenreaktionen (beispielsweise Oxidation von SO2 zu SO3) weitgehend unterdrückt werden. Angesichts der immer strenger werdenden Grenzwerte und der allgemeinen Umwelt- und Gesundheitsproblematik stellt sich daher für den Fachmann die Aufgabe, eine verbesserte Abgasreinigung zu schaffen.
In DE 10 2007 042 448 A1 wird eine Abgasreinigungsanlage für die selektive katalytische Reduktion von Stickoxiden beschrieben.
In DE 10 2006 009 934 wird ein Abgasreinigungssystem zur Nachbehandlung von Abgas aus einem Verbrennungsmotor beschrieben.
In DE 10 2008 022 998 beschreibt ebenfalls eine Abgasanlage für Fahrzeuge.
Im Hinblick darauf schlägt die vorliegende Erfindung eine Abgasreinigungsanlage gemäß Anspruch 1, ein Abgasreinigungsverfahren nach Anspruch 19 sowie ein Blockheizkraftwerk nach Anspruch 16 vor. Weitere Aspekte, Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie den beigefügten Zeichnungen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfaßt eine Abgasreinigungsanlage zumindest eine erste Abgasleitung und zumindest eine zweite Abgasleitung. Die erste und die zweite Abgasleitung sind an einer ersten Zusammenführung vereinigt. Weiterhin ist ein Harnstoffeinspritzmittel im Bereich der Zusammenführung angeordnet. Bezüglich der Fließrichtung des Abgases hinter dem Harnstoffeinspritzmittel ist ein Katalysator zur Verminderung von Stickoxiden im Abgas angeordnet.
Das Zugeben des Harnstoffs im Bereich der Zusammenführung der beiden Abgasströme führt zu einer verbesserten Vermischung des Harnstoffs mit dem Abgas. Insbesondere wird vermutet, daß die Strömung im Bereich der Zusammenführung turbulent werden kann und beispielsweise eine Scherturbulenz ausbildet. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel umfaßt die Abgasreinigungsanlage weiterhin eine bezüglich der Fließrichtung des Abgases hinter dem Harnstoffeinspritzmittel angeordnete erste Verzweigung, die den Abgasstrom in mindestens einen ersten Katalysatorzweig und einen zweiten Katalysatorzweig aufteilt, wobei in dem ersten Katalysatorzweig ein erster Katalysator zur Verminderung von Stickoxiden und in dem zweiten Katalysatorzweig ein zweiter Katalysator zur Verminderung von Stickoxiden angeordnet ist. Auf diese Weise kann das Abgas/Ammoniak-Gemisch mit einer größeren Katalysatoroberfläche in Kontakt gebracht werden. Auf diese Weise kann ein höherer Anteil der Stickoxide im Abgas reduziert werden. Daß die Strömung im Bereich der Zusammenführung turbulent werden kann und beispielsweise eine Scherturbulenz ausbildet, kann weiterhin dadurch unterstützt werden, daß die erste Abgasleitung und die zweite Abgasleitung gemäß einer Ausführungsform mit einem Winkel im Bereich von 15° ≤ θ ≤ 135°, insbesondere 60° ≤ θ ≤ 110°, insbesondere 80° bis 100°, zusammengeführt sind. Aufgrund der besseren Vermischung des Harnstoffs mit dem Abgas wird ein größerer Anteil der Stickoxide im katalytischen Prozeß reduziert, so daß eine verbesserte Entstickung des Abgases erfolgt. In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, daß typischerweise eine 32,5%ige, wässrige Harnstofflösung, die auch unter dem Markennamen AdBlue^® erhältlich ist, verwendet wird. Die Zusammensetzung dieser wässrigen Harnstofflösung ist in der DIN 70070 geregelt. Wenn vorliegend also von einem Zugeben von Harnstoff die Rede ist, so beinhaltet dies insbesondere ein Zugeben der erwähnten wässrigen Harnstofflösung.
Gemäß einer Weiterbildung ist der Gesamtströmungsquerschnitt der ersten und der zweiten Abgasleitung vor der Zusammenführung größer als der Strömungsquerschnitt der Abgasleitung hinter der Zusammenführung. Durch die Verminderung des Strömungsquerschnitts wird das Abgas im Bereich der Zusammenführung beschleunigt. Dies führt zu einer besseren Aufnahme des Harnstoffs und auch zu einer besseren Vermischung. Weiterhin kann auf diese Weise eine im Bereich der Zusammenführung ausgebildete Turbulenz möglicherweise stabilisiert oder verstärkt werden, so daß die Vermischung des Harnstoffs mit dem Abgas weiter verbessert werden kann.
Gemäß einer Weiterbildung umfaßt die Abgasreinigungsanlage weiterhin einen bezüglich der Fließrichtung des Abgases hinter dem Harnstoffeinspritzmittel angeordneten Stickoxidsensor.
Mit Hilfe dieses Sensors kann der Stickoxidgehalt im Abgas ermittelt und zur Regelung und/oder Qualitätskontrolle der Abgasreinigungsanlage herangezogen werden.
Typischweise umfaßt die Abgasreinigungsanlage weiterhin einen Harnstoffbehälter, der über eine Fluidleitung mit dem Harnstoffeinspritzmittel verbunden ist. Gemäß einer Weiterbildung kann das Harnstoffeinspritzmittel weiterhin eine Dosierpumpe umfassen, die angepaßt ist, eine bestimmbare Menge Harnstoff an das Harnstoffeinspritzmittel bereitzustellen. Auf diese Weise kann die Harnstoffeinspritzung mit einer definierten Rate erfolgen. Insbesondere kann die Harnstoff-Rate auf diese Weise in Abhängigkeit des Betriebszustands der Abgasreinigungsanlage oder eines anderen Anlagenteils, etwa eines Motors und/oder eines Generators, geregelt werden. In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, daß der Begriff Harnstoffrate insbesondere auch die Rate einer wässrigen Harnstofflösung, insbesondere einer 32,5%igen, wässrigen Harnstofflösung, umfaßt
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfaßt der Katalysator Titanoxid, Vanadiumpentoxid oder Wolframoxid. In Gegenwart von gasförmigen Halogenen oxidieren Katalysatoren aus Titandioxid, Vanadiumpentoxid und Wolframoxid auch elementares Quecksilber, das sich in dieser Form besser in den Wäschern von Rauchgasentschwefelungsanlagen bzw. in Elektrofiltern abscheiden lässt. Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel umfaßt der Katalysator einen Zeolithen, insbesondere auch einen modifizierten Zeolithen.
Gemäß einer Weiterbildung kann dabei der Gesamtströmungsquerschnitt des ersten und des zweiten Katalysatorzweigs nach der Verzweigung größer als der Strömungsquerschnitt der Abgasleitung vor der Verzweigung sein. Auf diese Weise kann die Strömungsgeschwindigkeit des Abgasstroms im ersten und im zweiten Katalysatorzweig vermindert werden. Auf diese Weise steht ein bestimmtes strömendes Abgasvolumen länger im Kontakt mit der Katalysatoroberfläche, so daß der Anteil der reduzierten Stickoxide weiter erhöht werden kann. Alternativ kann die Katalysatoroberfläche ohne Verschlechterung der Entstickungsleistung verringert werden.
Gemäß einer Weiterbildung kann weiterhin eine bezüglich der Fließrichtung des Abgases hinter dem ersten und dem zweiten Katalysator angeordnete zweite Zusammenführung, an der der erste und der zweite Katalysatorzweig vereinigt sind, vorgesehen sein. Dabei kann gemäß einer Weiterbildung der Gesamtströmungsquerschnitt des ersten und des zweiten Katalysatorzweigs vor der zweiten Zusammenführung größer als der Strömungsquerschnitt der Abgasleitung hinter der zweiten Zusammenführung sein. Dadurch wird ein geringerer Abgasgegendruck erreicht. Bei einem runden Querschnitt kann darüber hinaus auf diese Weise der komplette Raum genutzt werden. Schließlich kann der Harnstoffverbrauch weiter verringert werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Abgasreinigungsanlage weiterhin einen Wärmetauscher umfassen, der bezüglich der Fließrichtung des Abgases hinter der zweiten Zusammenführung angeordnet ist. Auf diese Weise kann dem Abgas Abwärme entzogen und nutzbar gemacht werden. Beispielsweise kann der Wärmetauscher Teil einer Nachverstromungsanlage sein, mit deren Hilfe aus der im Abgas enthaltenen Abwärme elektrischer Strom erzeugt wird. Grundsätzlich wäre auch denkbar, daß der Wärmetauscher an einer anderen Stelle in der Abgasreinigungsanlage oder gar vor der Abgasreinigungsanlage angeordnet ist. Jedoch sind für die selektive katalytische Reaktion typischerweise Umgebungstemperaturen von 300°C bis 400°C erforderlich. Diese Temperaturen liegen im Abgas normalerweise vor, so daß keine zusätzliche Heizung des Abgases vor der selektiven katalytischen Reduktion erforderlich ist. Würde nun der Wärmetauscher schon vor den Katalysatoren angeordnet, so reichte die Restwärme im Abgas gegebenenfalls nicht mehr für die selektive katalytische Reaktion aus und eine Vorwärmung des Abgases vor Eintritt in die Katalysatoren wäre erforderlich. Eine solche Vorwärmung senkt jedoch den Wirkungsgrad des Gesamtsystems, dessen Bestandteil die Abgasreinigungsanlage ist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfaßt die Abgasreinigungsanlage weiterhin zumindest ein Filter zur Verminderung des Staubgehalts des Abgases. Beispielsweise können Wandstromfilter oder Nebenstromfilter aber auch Elektrofilter oder Schlauchfilter als Partikelfilter verwendet werden. Gemäß einer Weiterbildung ist das Filter bezüglich der Fließrichtung des Abgases vor dem Harnstoffeinspritzmittel angeordnet. In dieser Anordnung, die auch als Low-Dust-Schaltung bezeichnet wird, erfolgt die Staubfilterung bevor das Abgas in den Katalysator eintritt. Dadurch werden erosive Bestandteile entfernt und die mechanische Lebensdauer des Katalysators verlängert. Allerdings muß gegebenenfalls eine Temperaturabsenkung des Abgases vor Eintritt in die Enstaubungsanlage erfolgen. In diesem Fall müßte die Abgastemperatur vor Eintritt in den Katalysator durch eine entsprechende Wiederaufheizung ausgeglichen werden, was jedoch den Wirkungsgrad des Gesamtsystems, dessen Bestandteil die Abgasreinigungsanlage ist, verschlechtert.
Gemäß einer Weiterbildung umfaßt die Abgasreinigungsanlage ein erstes Filter, das in der ersten Abgasleitung angeordnet ist, und ein zweites Filter, das in der zweiten Abgasleitung angeordnet ist. Insbesondere kann weiterhin eine bezüglich der Fließrichtung des Abgases vor dem ersten Filter und dem zweiten Filter angeordnete zweite Verzweigung bereitgestellt sein, die den Abgasstrom in mindestens die erste Abgasleitung und mindestens die zweite Abgasleitung aufteilt. Gemäß noch einer Weiterbildung kann dabei der Gesamtströmungsquerschnitt der ersten und der zweiten Abgasleitung nach der Verzweigung größer als der Strömungsquerschnitt der Abgasleitung vor der Verzweigung sein. Auf diese Weise kann die Strömungsgeschwindigkeit des Abgasstroms in der ersten und in der zweiten Abgasleitung vermindert werden. Auf diese Weise steht ein bestimmtes strömendes Abgasvolumen länger im Kontakt mit der Filteroberfläche, so daß die Filterleistung erhöht werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfaßt ein Blockheizkraftwerk einen Dieselmotor, dessen Abgasauslaß mit einer Abgasreinigungsanlage oben beschriebenen Art verbunden ist. Das Blockheizkraftwerk umfaßt weiterhin einen elektrischen Generator, der mit dem Dieselmotor gekoppelt und durch diesen antreibbar ist. Insbesondere kann der Dieselmotor eingerichtet sein, mit Pflanzenöl betrieben zu werden. Auf diese Weise kann äußerst umweltfreundlich elektrischer Strom erzeugt werden, wobei nur sehr geringe Stickoxidemissionen anfallen. Für einen optimierten Betrieb der Abgasreinigungsanlage kann das Harnstoffeinspritzmittel eingerichtet sein, die eingespritzte Harnstoffmenge in Abhängigkeit von der Leistung oder Drehzahl des Dieselmotors zu steuern oder zu regeln. Alternativ oder zusätzlich kann die Regelung auch die Generatorleistung oder -drehzahl oder auch die Meßwerte des Stickoxidsensors berücksichtigen.
Mit Hilfe der oben beschriebenen Abgasreinigungsanlage läßt sich ein Abgasreinigungsverfahren durchführen, bei dem zwei einzelne Abgasströme zu einem vereinigten Abgasstrom zusammengeführt, Harnstoff im Bereich der Zusammenführung zugesetzt, und das Abgas mittels zumindest eines Katalysators entstickt wird. Gemäß dieses Abgasrenigungsverfahrens wird der vereinigte Abgasstrom nach dem Zusetzen des Harnstoffs wieder in mindestens zwei Abgasströme aufgeteilt, wobei ein jeweiliger der beiden Abgasströme eine niedrigere Strömungsgeschwindigkeit aufweist als der vereinigte Abgasstrom. Anschließend kann dann in einem jeweiligen der mindestens zwei aufgeteilten Abgasströme die Entstickung vorgenommen werden. Aufgrund der langsameren Strömungsgeschwindigkeit wird die Aufenthaltszeit des Abgases im Katalysator verlängert, so daß ein erhöhter Anteil der Stickoxide katalytisch reduziert wird. Typischerweise werden die beiden Abgasströme nach der Entstickung wieder zusammengeführt.
Dabei kann gemäß einer Weiterbildung der vereinigte Abgasstrom eine höhere Strömungsgeschwindigkeit aufweisen als ein jeweiliger der einzelnen Abgasströme. Insbesondere kann auch im Bereich der Zusammenführung eine Turbulenz erzeugt werden.
Wie oben beschrieben führt das Zugeben des Harnstoffs im Bereich der Zusammenführung der beiden Abgasströme zu einer verbesserten Vermischung des Harnstoffs mit dem Abgas. Dies kann weiterhin dadurch unterstützt werden, daß der erste Abgasstrom und der zweite Abgasstrom mit einem Winkel im Bereich von 15° ≤ θ ≤ 135°, insbesondere 60° ≤ θ ≤ 110°, insbesondere 80° bis 100°, vereinigt werden. Aufgrund der besseren Vermischung des Harnstoffs mit dem Abgas wird ein größerer Anteil der Stickoxide im katalytischen Prozeß reduziert, so daß eine verbesserte Entstickung des Abgases erfolgt. Dies erlaubt es, die Einspritzrate des Harnstoffs zu vermindern. So kann beispielsweise der Harnstoff mit einer Rate im Bereich von 1,5 l/h bis 4,5 l/h zugesetzt werden, wobei die Harnstoffrate beispielsweise in Abhängigkeit einer Stickoxidkonzentration oder in Abhängigkeit einer Motorleistung und/oder einer Motordrehzahl bzw. einer Generatorleistung und/oder einer Generatordrehzahl geregelt wird. Eine Rate von 1,5 l/h bis 4,5 l/h entspricht ungefähr einem Verbrauch von 32,5%iger, wässriger Harnstofflösung in Höhe von 3% bis 5% des eingesetzten Kraftstoffs.
Gemäß einer Weiterbildung werden weiterhin Partikeln aus dem Abgas entfernt. Dies erfolgt durch Filtern des Abgases, wobei wie bereits erwähnt verschiedene Filtertypen verwendet werden können. Die genaue Auswahl des Filtertyps ergibt sich je nach Einsatzgebiet der Abgasreinigungsanlage und liegt im Ermessen des Fachmanns. Gemäß einer Weiterbildung werden in einer sogenannten Low-Dust-Schaltung die Partikel entfernt, bevor der Harnstoff zugegeben wird. Dabei kann der Abgasstrom in mindestens zwei einzelne Abgasströme aufgeteilt werden, die jeweils eine langsamere Strömungsgeschwindigkeit aufweisen als der ungeteilte Abgasstrom.
Anhand der beigefügten Zeichnungen werden nun Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung erläutert. Dabei zeigen:
1 eine beispielhafte Abgasreinigungsanlage.
2 eine Abgasreinigungsanlage gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
3 eine Abgasreinigungsanlage gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
4 ein Blockheizkraftwerk gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
5 eine Abgasmessung an einem Blockheizkraftwerk gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
1 zeigt eine Abgasreinigungsanlage 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Führung des Abgases erfolgt in einer dafür hergerichteten Rohrleitung. In 1 ist die Strömungsrichtung des Abgases in der Rohrleitung durch Pfeile angedeutet. Das in der 1 unten gezeigte Ende der Abgasanlage 100 ist beispielsweise mit einem Abgasauslaß eines Verbrennungsmotors, z. B. eines Dieselmotors, verbunden. An einer Verzweigung 110 verzweigt sich die Abgasanlage in eine erste Abgasleitung 120 und eine zweite Abgasleitung 130. Die Aufteilung in zwei Abgasleitung ist beispielhaft zu verstehen und es kann selbstverständlich auch eine Aufteilung in drei oder mehr Abgasleitungen erfolgen. Die genaue Anzahl von Abgasleitungen wird der Fachmann gemäß der jeweiligen Anwendung bestimmen. Die erste und die zweite Abgasleitung 120, 130 vereinigen sich an einer ersten Zusammenführung 140 wieder. Dabei bilden die erste Abgasleitung und die zweite Abgasleitung im gezeigten Ausführungsbeispiel zueinander einen Winkel von ungefähr 90°, so daß die beiden darin geführten Abgasströme in diesem Winkel aufeinander treffen. Allerding können die erste und die zweite Abgasleitung allgemein einen Winkel im Bereich von 15° ≤ θ ≤ 135°, insbesondere 60° ≤ θ ≤ 110°, insbesondere 80° bis 100°, zueinander bilden. Im Bereich der Zusammenführung 140 ist ein Harnstoffeinspritzmittel 200 angeordnet. Das Harnstoffeinspritzmittel 200 kann beispielsweise eine Einspritzpumpe oder einen Injektor umfassen. Typischerweise ist das Harnstoffeinspritzmittel 200 über eine Fluidleitung mit einem Harnstoffbehälter 220 verbunden. Dieser Behälter sowie die Leitung sind insbesondere ausgelegt, 32,5%ige wässrige Harnstofflösung 230 aufzunehmen. Weiterhin kann das Harnstoffeinspritzmittel 200 eine Dosierpumpe 210 umfassen. Typischerweise ist die Dosierpumpe 210 angepaßt, eine bestimmbare Menge Harnstoff bzw. Harnstofflösung 230 an das Harnstoffeinspritzmittel 200 bereitzustellen. Ein Katalysator 300 ist bezüglich der Fließrichtung des Abgases hinter dem Harnstoffeinspritzmittel 200 angeordnet. Der Katalysator 300 zur Verminderung von Stickoxiden in dem Abgas.
Die Entstickung des Abgases erfolgt gemäß selektiver katalytischer Reduktion (SCR). Die chemische Reaktion am SCR-Katalysator 300 ist selektiv, das heißt, es werden bevorzugt die Stickoxide (NO, NO2) reduziert, während unerwünschte Nebenreaktionen weitgehend unterdrückt werden. Zur Reduktion des Stickstoffs wird Ammoniak (NH3) verwendet, wobei Wasser (H2O) und Stickstoff (N2) als Reaktionsprodukte anfallen. Das NH3 wird jedoch nicht nicht direkt zugesetzt sondern in Form von Harnstoff, typischerweise einer 32,5%igen, wässrigen Harnstofflösung. Diese wässrige Lösung wird vom Harnstoffeinspritzmittel 200 vor dem Katalysator 300 in die Abgasleitung eingespritzt. Durch Hydrolyse wandelt sich die Harnstoff-Wasser-Lösung wie folgt in NH3 und CO2 um:

Pyrolyse: (NH2)2CO → NH3 + HNCO

Hydrolyse: HNCO + H2O → NH3 + CO2
Das so erzeugte NH3 reagiert im Katalysator 300 mit den Stickoxiden im Abgas entlang der folgenden Reaktionspfade:

Standard-SCR: 4NH3 + 4NO + O2 → 4N2 + 6H2O

Fast-SCR: 2NH3 + NO + NO2 → 2N2 + 3H2O

NO2-SCR: 4NH3 + 3NO2 → 3½N2 + 6H2O
Als SCR-Katalysatoren 300 werden typischerweise entweder Katalysatoren mit Titanoxid, Vanadiumpentoxid oder Wolframoxid (Typ I) oder mit einem Zeolith als Katalysatormaterial (Typ II) verwendet.
Das Zugeben des Harnstoffs 230 im Bereich der Zusammenführung 140 der beiden Abgasströme führt zu einer verbesserten Vermischung des Harnstoffs mit dem Abgas. Insbesondere wird vermutet, daß die Strömung im Bereich der Zusammenführung 140 turbulent werden kann und beispielsweise eine Scherturbulenz ausbildet. Aufgrund der besseren Vermischung des Harnstoffs 230 mit dem Abgas wird ein größerer Anteil der Stickoxide im katalytischen Prozeß reduziert, so daß eine verbesserte Entstickung des Abgases erfolgt. In diesem Zusammenhang wird darauf verwiesen, daß das Harnstoffeinspritzmittel 200 nicht unmittelbar in der Zusammenführung 140 angeordnet sein muß. So kann das Harnstoffeinspritzmittel 200 beispielsweise bezüglich der Strömungsrichtung des Abgases auch hinter der Zusammenführung 140 angeordnet sein und trotzdem die vorteilhafte Wirkung erzielen, da diese im wesentlichen durch die Zusammenführung zweier oder mehrerer Abgasströme erzielt wird. Der genaue Punkt der Harnstoffeinspritzung ist daher nicht entscheidend solange er sich im Bereich der Zusammenführung befindet, d. h. solange der Effekt des Zusammenführens der Abgasströme sich positiv auf die Vermischung auswirkt.
Typischerweise ist der Gesamtströmungsquerschnitt der ersten und der zweiten Abgasleitung 120, 130 vor der Zusammenführung 140 größer als der Strömungsquerschnitt der Abgasleitung hinter der Zusammenführung 140. Durch diese Verminderung des Strömungsquerschnitts wird das Abgas im Bereich der Zusammenführung 140 beschleunigt. Dies führt zu einer besseren Aufnahme des Harnstoffs 230 und auch zu einer besseren Vermischung. Weiterhin kann auf diese Weise eine im Bereich der Zusammenführung 140 ausgebildete Turbulenz möglicherweise stabilisiert oder verstärkt werden, so daß die Vermischung des Harnstoffs 230 mit dem Abgas weiter verbessert werden kann.
Weiterhin ist die Menge des eingespritzten Harnstoffs typischerweise von der motorischen Stickoxidemission und damit von der momentanen Drehzahl und dem momentanen Drehmoment des Motors abhängig. Zur Erzielung hoher NOx-Minderungsraten wird daher die Harnstofflösung im geeigneten Verhältnis zur Stickoxidemission des Motors dosiert. Die Dosierung sollte dabei im Mittel der NOx-Emission des Motors entsprechen. Eine genaue Übereinstimmung muß nicht gegeben sein, da SCR-Katalysatoren einen gewissen Anteil NH3 speichern können. Ist die Dosierung zu gering, so sinkt der Wirkungsgrad der Stickoxidminderung, wird zu viel Harnstoff zugesetzt, so kann das daraus gebildete NH3 nicht mit NOx reagieren und gelangt in die Umgebung. Eine Möglichkeit, diesen sogenannten Ammoniak-Schlupf zu verhindern, ist eine großzügige Auslegung des Katalysators, um damit eine gewisse Speicherfunktion zu erhalten. Beispielsweise kann die Abgasanlage weiterhin einen NOx-Sensor aufweisen, um den Stickoxidgehalt im Abgas zu ermitteln und die Harnstoffzugabe entsprechend zu regeln.
Die oben beschriebene Abgasanlage kann beispielsweise in Kraftfahrzeugen oder in Blockheizkraftwerken zur Entstickung des Abgases verwendet werden.
2 beschreibt eine Abgasreinigungsanlage gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Abgasreinigungsanlage gemäß 2 weist weiterhin eine Verzweigung 150 auf, die bezüglich der Fließrichtung des Abgases hinter dem Harnstoffeinspritzmittel 200 angeordnete ist. Die Verzweigung 150 teilt den Abgasstrang in einen ersten Katalysatorzweig 160 und einen zweiten Katalysatorzweig 170 auf. Die Aufteilung in zwei Katalysatorzweige ist beispielhaft zu verstehen und es kann selbstverständlich auch eine Aufteilung in drei oder mehr Katalysatorzweige erfolgen. Die genaue Anzahl von Katalysatorzweigen wird der Fachmann gemäß der jeweiligen Anwendung bestimmen. In einem jeweiligen der Katalysatorzweige ist ein SCR-Katalysator 310, 320 angeordnet, d. h. in dem ersten Katalysatorzweig 160 ist ein erster Katalysator 310 und in dem zweiten Katalysatorzweig 170 ein zweiter Katalysator 320 angeordnet. Auf diese Weise kann die Strömungsgeschwindigkeit des Abgasstroms im ersten und im zweiten Katalysatorzweig 160, 170 vermindert werden, so daß das Abgas länger im Kontakt mit der Katalysatoroberfläche steht. Auf diese Weise kann der Anteil der reduzierten Stickoxide erhöht werden. Typischerweise ist weiterhin hinter dem ersten und dem zweiten Katalysator 310, 320 eine weitere Zusammenführung 180 angeordnet, die die nunmehr entstickten Abgasströme wieder vereinigt. Typischerweise ist dabei der Gesamtströmungsquerschnitt des ersten und des zweiten Katalysatorzweigs 160, 170 vor der Zusammenführung 180 größer als der Strömungsquerschnitt des Abgasstrangs hinter der Zusammenführung 180.
3 zeigt eine Abgasreinigungsanlage gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Darin sind zur Verminderung des Staubgehalts des Abgases ein erstes Filter 410 in der ersten Abgasleitung 120 und ein zweites Filter 420 in der zweiten Abgasleitung 130 angeordnet. In dieser Anordnung, die auch als Low-Dust-Schaltung bezeichnet wird, erfolgt die Staubfilterung bevor das Abgas in den Katalysator 300 eintritt. Dadurch werden erosive Bestandteile entfernt und die mechanische Lebensdauer des Katalysators 300 verlängert. Ähnlich wie bei den beiden Katalysatorzweigen 160, 170 kann der Gesamtströmungsquerschnitt der ersten und der zweiten Abgasleitung 120, 130 nach der Verzweigung 110 größer als der Strömungsquerschnitt des Abgasstrangs vor der Verzweigung 110 sein. Auf diese Weise kann die Strömungsgeschwindigkeit des Abgasstroms in der ersten und in der zweiten Abgasleitung 120, 130 vermindert werden, so daß das Abgas länger im Kontakt mit der Filteroberfläche steht. Die Filterleistung kann so erhöht werden.
4 zeigt ein Blockheizkraftwerk 1000 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Dabei weist das Blockheizkraftwerk 1000 einen Dieselmotor 600, der beispielsweise eingerichtet ist, mit Pflanzenöl, insbesondere Palmöl, betrieben zu werden. Der Abgasauslaß des Dieselmotors ist mit einer Abgasreinigungsanlage 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verbunden. Beispielsweise kann die Abgasreinigungsanlage gemäß dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ausgestaltet sein. Der Dieselmotor ist über eine Ausgangswelle 650 mit dem Eingang eines elektrischen Generators 700 gekoppelt und treibt diesen im Kraftwerksbetrieb an. Weiterhin kann zwischen dem Ausgang des Motors 600 und dem Eingang des Generators 700 auch ein Getriebe zwischengeschaltet sein. Der Generator 700 ist über Leitungen 750 mit einem Einspeisepunkt in das Versorgungsnetz verbunden, so daß der vom Generator 700 erzeugte Strom eingespeist werden kann. Selbstverständlich können noch weitere elektrische Bauteile zwischen Generator 700 und Einspeisepunkt geschaltet sein, die etwa zur Einstellung des Leistungswinkels o. ä. dienen können.
Typischerweise ist das Harnstoffeinspritzmittel der Abgasreinigungsanlage 100 eingerichtet, die eingespritzte Harnstoffmenge in Abhängigkeit von der Leistung und/oder der Drehzahl des Dieselmotors zu steuern oder zu regeln. Alternativ oder zusätzlich kann auch der Betriebszustand des Generators zur Steuerung herangezogen werden. Weiterhin weist die Abgasreinigungsanlage einen Stickoxidsensor auf, der die Stickoxidkonzentration im Abgas mißt. Dieser Meßwert kann ebenfalls zur Regelung der Harnstoffrate herangezogen werden. In manchen Ausführungsformen weist die Abgasreinigungsanlage noch einen weiteren Stickoxidsensor auf (nicht gezeigt), der hinter den Katalysatoren angeordnet ist. Auf diese Weise kann ermittelt werden, wie hoch die Restmenge an Stickoxiden nach der Entstickung ist. Dieser Wert kann ebenfalls zur Regelung der Harnstoffeinspritzung herangezogen werden.
Gemäß dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel weist das Blockheizkraftwerk weiterhin einen einen Wärmetauscher 500 auf. Dieser ist bezüglich der Fließrichtung des Abgases hinter den Katalysatoren, insbesondere hinter der zweiten Zusammenführung angeordnet. Der Wärmetauscher 500 entzieht dem Abgas Abwärme und macht diese nutzbar. Beispielsweise kann der Wärmetauscher Teil einer Nachverstromungsanlage sein, mit deren Hilfe aus der im Abgas enthaltenen Abwärme elektrischer Strom erzeugt wird. Ebenso kann der Wärmetauscher 500 die gewonnene Wärme in ein Wärmenetz einspeisen. Beispielsweise kann zwischen dem Motorausgang und dem Ausgang aus dem Wärmetauscher ein Temperaturunterschied ΔT von ca. 250°C erzielt werden. Bei einer typischen Abgastemperatur von ca. 400°C bei Vollastbetrieb des Dieselmotors 600 können so bis über 60% der im Abgas enthaltenen Wärmemenge nutzbar gemacht werden.
Grundsätzlich wäre auch denkbar, daß der Wärmetauscher an einer anderen Stelle in der Abgasreinigungsanlage oder gar vor der Abgasreinigungsanlage angeordnet ist. Jedoch sind für die selektive katalytische Reaktion typischerweise Umgebungstemperaturen von 300°C bis 400°C erforderlich. Diese Temperaturen liegen im Abgas normalerweise vor, so daß keine zusätzliche Heizung des Abgases vor der selektiven katalytischen Reduktion erforderlich ist. Würde nun der Wärmetauscher schon vor den Katalysatoren angeordnet, so reichte die Restwärme im Abgas gegebenenfalls nicht mehr für die selektive katalytische Reaktion aus und eine Vorwärmung des Abgases vor Eintritt in die Katalysatoren wäre erforderlich. Eine solche Vorwärmung senkt jedoch den Wirkungsgrad des Gesamtsystems, dessen Bestandteil die Abgasreinigungsanlage ist.
Weiterhin umfassen Abgasreinigungsverfahren gemäß den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung das Zusammenführen mindestens zweier einzelner Abgasströme zu einem vereinigten Abgasstrom, das Zusetzen von Harnstoff im Bereich der Zusammenführung, und die Entstickung des Abgases mittels zumindest eines Katalysators. Typischerweise weist dabei der vereinigte Abgasstrom eine höhere Strömungsgeschwindigkeit auf als ein jeweiliger der einzelnen Abgasströme. Dabei kann insbesondere im Bereich der Zusammenführung eine Turbulenz erzeugt werden. Typischerweise kann der Harnstoff mit einer Rate im Bereich von 1,5 l/h bis 4,5 l/h zugesetzt werden, was eine deutliche Reduktion insbesondere für Dieselmotoren im Blockheizkraftwerksbereich bedeutet. Die zugesetzte Harnstoffrate kann dabei beispielsweise in Abhängigkeit der Stickoxidkonzentration der Motorleistung, der Motordrehzahl, einer Generatorleistung und/oder der Generatordrehzahl geregelt werden. Gemäß weiterer Ausführungsbeispiele kann der vereinigte Abgasstrom nach dem Zusetzen des Harnstoffs wieder in mindestens zwei Abgasströme aufgeteilt werden, wobei jeder der Abgasströme eine niedrigere Strömungsgeschwindigkeit aufweist kann als der vereinigte Abgasstrom. In diesen aufgeteilten, langsamen Abgasströmen kann dann die Entstickung vorgenommen werden. Die Abgasströme können nach der Entstickung wieder zusammengeführt werden. Weiterhin können Partikeln wie z. B. Feinstaub durch ein oder mehrere Filter aus dem Abgas entfernt werden. Typischerweise werden die Partikel entfernt, bevor der Harnstoff zugegeben wird (Low-Dust-Schaltung). Auch die Effektivität der Filterung kann mit einer Verlangsamung des Abgasstroms vor Eintritt in das Filter erhöht werden.
5 zeigt eine Abgasmessung an einem Blockheizkraftwerk ähnlich dem oben beschriebenen. Der Dieselmotor ist als handelsüblicher wassergekühlter 4-Takt Dieselmotor (Volvo TAD 1642GE) ausgeführt und für die Verbrennung von Pflanzenölen hergerichtet. Während des dargestellten Zeitraums wurden insgesamt 6 Messungen (M1 bis M6) durchgeführt, wobei die Messungen sowohl bei Vollastbetrieb als auch Teillastbetrieb erfolgten. Der Palmöldurchsatz betrug im Vollastbetrieb 75 l/h und im Teillastbetrieb 44 l/h. Im Vollastbetrieb betrug die Temperatur vor Katalysator 404°C und im Teillastbetrieb betrug die Temperatur vor Katalysator 352°C. Die ermittelten Meßwerte sind in Tabelle I dargestellt. TABELLE I
Daraus geht hervor, daß die Stickoxide um eine Größenordnung unter dem erlaubten Grenzwert liegen, d. h. es erfolgt eine hervorragende Entstickung durch die Abgasreinigungsanlage. Gleichzeitig wurden im Vollastbetrieb lediglich 3,8 l/h Harnstofflösung eingespritzt, wohingegen herkömmliche SCR-Anlagen im Vollastbetrieb um 9 l/h Harnstofflösung verbrauchen. Die Abgasreinigungsanlage gemäß dem Ausführungsbeispiel konnte also eine Verminderung des Harnstoffverbrauchs um ca. 60% erzielen, wobei die Entstickungsleistung hervorragend und gegenüber herkömmlichen SCR-Anlagen deutlich gesteigert ist.
Es wird weiterhin darauf verwiesen, daß auch die weiteren Grenzwerte deutlich unterschritten werden. Insbesondere die Staubbelastung beträgt nur etwa 4% des erlaubten Grenzwerts.
Somit läßt sich zusammenfassend sagen, daß Abgasreinigungsanlagen gemäß den Ausfürhungsbeispielen der vorliegenden Erfindung hervorragende Reinigungseigenschaften aufweisen und gleichzeitig den Verbrauch an Harnstoff drastisch verringern.
Die vorliegende Erfindung wurde anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Diese Ausführungsbeispiele sollen keinesfalls als einschränkend für die vorliegende Erfindung verstanden werden. Insbesondere können einzelne Merkmale der verschiedenen Ausführungsbeispiele in andere Ausführungsformen übernommen werden oder verschiedene Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden, solange sich die kombinierten Merkmale nicht technisch bedingt gegenseitig ausschließen.

Claims

Abgasreinigungsanlage (100), eingerichtet für den Betrieb in einem Blockheizkraftwerk und umfassend zumindest eine erste Abgasleitung (120) und zumindest eine zweite Abgasleitung (130), die an einer ersten Zusammenführung (140) vereinigt sind, ein Harnstoffeinspritzmittel (200), das im Bereich der Zusammenführung (140) angeordnet ist, weiterhin umfassend eine bezüglich der Fließrichtung des Abgases hinter dem Harnstoffeinspritzmittel (200) angeordnete erste Verzweigung (150), die den Abgasstrom in mindestens einen ersten Katalysatorzweig (160) und einen zweiten Katalysatorzweig (170) aufteilt, wobei in dem ersten Katalysatorzweig (160) ein erster Katalysator (310) zur Verminderung von Stickoxiden und in dem zweiten Katalysatorzweig (170) ein zweiter Katalysator (320) zur Verminderung von Stickoxiden angeordnet ist.
Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 1, wobei die erste Abgasleitung (120) und die zweite Abgasleitung (130) in einem Winkel im Bereich von 15° ≤ θ ≤ 135° zusammengeführt sind.
Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Gesamtströmungsquerschnitt der ersten und der zweiten Abgasleitung (120, 130) vor der Zusammenführung (140) größer ist als der Strömungsquerschnitt der Abgasleitung hinter der Zusammenführung (140).
Abgasreinigungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend einen Stickoxidsensor (250).
Abgasreinigungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend einen Harnstoffbehälter (220), der über eine Fluidleitung mit dem Harnstoffeinspritzmittel (200) verbunden ist.
Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 5, wobei das Harnstoffeinspritzmittel (200) weiterhin eine Dosierpumpe (210) umfaßt, die angepaßt ist, eine bestimmbare Menge Harnstoff (230) an das Harnstoffeinspritzmittel (200) bereitzustellen.
Abgasreinigungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Katalysator (300) Titanoxid, Vanadiumpentoxid, Wolframoxid oder einen Zeolithen umfaßt.
Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 1, wobei der Gesamtströmungsquerschnitt des ersten und des zweiten Katalysatorzweigs (160, 170) nach der Verzweigung (150) größer ist als der Strömungsquerschnitt der Abgasleitung vor der Verzweigung (150).
Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 1 oder 8, weiterhin umfassend eine bezüglich der Fließrichtung des Abgases hinter dem ersten und dem zweiten Katalysator (310, 320) angeordnete zweite Zusammenführung (180), an der der erste und der zweite Katalysatorzweig (160, 170) vereinigt sind.
Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 9, wobei der Gesamtströmungsquerschnitt des ersten und des zweiten Katalysatorzweigs (160, 170) vor der zweiten Zusammenführung (180) größer ist als der Strömungsquerschnitt der Abgasleitung hinter der zweiten Zusammenführung (180).
Abgasreinigungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend einen Wärmetauscher (500), der bezüglich der Fließrichtung des Abgases hinter der zweiten Zusammenführung (180) angeordnet ist.
Abgasreinigungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend zumindest ein Filter zur Verminderung des Staubgehalts des Abgases.
Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 12, wobei das Filter bezüglich der Fließrichtung des Abgases vor dem Harnstoffeinspritzmittel (200) angeordnet ist.
Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 12 oder 13, umfassend ein erstes Filter (410), das in der ersten Abgasleitung (120) angeordnet ist, und ein zweites Filter (420), das in der zweiten Abgasleitung (130) angeordnet ist.
Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 14, weiterhin umfassend eine bezüglich der Fließrichtung des Abgases vor dem ersten Filter (410) und dem zweiten Filter (420) angeordnete zweite Verzweigung (110), die den Abgasstrom in mindestens die erste Abgasleitung (120) und mindestens die zweite Abgasleitung (130) aufteilt.
Blockheizkraftwerk, umfassend einen Dieselmotor (600), dessen Abgasauslaß mit einer Abgasreinigungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche verbunden ist, und einen elektrischen Generator (700), der mit dem Dieselmotor (600) gekoppelt und durch diesen antreibbar ist.
Blockheizkraftwerk nach Anspruch 16, wobei der Dieselmotor (600) eingerichtet ist, mit Pflanzenöl betrieben zu werden.
Blockheizkraftwerk nach Anspruch 16 oder 17, wobei das Harnstoffeinspritzmittel (200) eingerichtet ist, die eingespritzte Harnstoffmenge in Abhängigkeit von der Leistung des Dieselmotors zu steuern oder zu regeln.
Abgasreinigungsverfahren in einem Blockheizkraftwerk, umfassend Zusammenführen zweier einzelner Abgasströme zu einem vereinigten Abgasstrom, Zusetzen von Harnstoff im Bereich der Zusammenführung, Aufteilen des vereinigten Abgasstroms nach dem Zusetzen des Harnstoffs wieder in mindestens zwei Abgasströme, wobei ein jeweiliger der beiden Abgasströme eine niedrigere Strömungsgeschwindigkeit aufweist als der vereinigte Abgasstrom, wobei in einem jeweiligen der mindestens zwei aufgeteilten Abgasströme die Entstickung vorgenommen wird.
Abgasreinigungsverfahren nach Anspruch 19, wobei die beiden Abgasströme mit einem Winkel im Bereich von 15° ≤ θ ≤ 135° zusammengeführt werden.
Abgasreinigungsverfahren nach Anspruch 19 oder 20, der vereinigte Abgasstrom eine höhere Strömungsgeschwindigkeit aufweist als ein jeweiliger der einzelnen Abgasströme.
Abgasreinigungsverfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 21, wobei im Bereich der Zusammenführung eine Turbulenz erzeugt wird.
Abgasreinigungsverfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 22, wobei der Harnstoff mit einer Rate im Bereich von 1,5 l/h bis 4,5 l/h zugesetzt wird.
Abgasreinigungsverfahren nach Anspruch 23, wobei die Harnstoffrate in Abhängigkeit einer Stickoxidkonzentration geregelt wird.
Abgasreinigungsverfahren nach Anspruch 23 oder 24, wobei die Harnstoffrate in Abhängigkeit einer Motorleistung und/oder einer Motordrehzahl geregelt wird.
Abgasreinigungsverfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 25, wobei die Harnstoffrate in Abhängigkeit einer Generatorleistung und/oder einer Generatordrehzahl geregelt wird.
Abgasreinigungsverfahren nach Anspruch 19, wobei die beiden Abgasströme nach der Entstickung wieder zusammengeführt werden.
Abgasreinigungsverfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 27, weiterhin umfassend das Entfernen von Partikeln aus dem Abgas mittels zumindest eines Filters.
Abgasreinigungsverfahren nach Anspruch 28, wobei die Partikel entfernt werden, bevor der Harnstoff zugegeben wird.
Abgasreinigungsverfahren nach Anspruch 29, wobei vor dem Zusammenführen ein Abgasstrom in mindestens zwei einzelne Abgasströme aufgeteilt wird, die jeweils eine langsamere Strömungsgeschwindigkeit aufweisen als der ungeteilte Abgasstrom.
Verwendung einer Abgasreinigungsanlage gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15 in einem Blockheizkraftwerk.